JMM解决缓存一致性&重排序问题

分析&回答

缓存一致性问题

由于主存与 CPU 处理器的运算能力之间有数量级的差距，所以在传统计算机内存架构中会引入高速缓存来作为主存和处理器之间的缓冲，CPU 将常用的数据放在高速缓存中，运算结束后 CPU 再讲运算结果同步到主存中。

使用高速缓存解决了 CPU 和主存速率不匹配的问题，但同时又引入另外一个新问题：缓存一致性问题。

在多CPU的系统中(或者单CPU多核的系统)，每个CPU内核都有自己的高速缓存，它们共享同一主内存(Main Memory)。当多个CPU的运算任务都涉及同一块主内存区域时，CPU 会将数据读取到缓存中进行运算，这可能会导致各自的缓存数据不一致。

重排序问题

编译器在编译的时候，允许重排序指令以优化运行速度。CPU在执行指令的时候，为了使处理器内部运算单元能被充分利用，也可以对指令进行乱序执行。

在编译器和CPU进行重排序的时候，要遵循“as-if-serial”原则，也就是要保证程序单线程执行的时候，重排序之后程序的运行结果必须和重排序前程序的运行结果一致。这里注意“as-if-serial”原则只保证单线程的执行结果不变，不保证多线程执行的结果不变。那么如何保证多线程程序的正确运行？显然需要某种协议来限定多线程执行时要满足的规则。

Java内存模型(JMM)

要解决缓存一致性问题需要某种协议，要解决重排序问题也需要某种协议。于是java定义了一种协议，一揽子解决了这两个问题，这个协议就是Java内存模型(JMM)。

为了更精准控制工作内存和主内存间的交互，JMM 还定义了八种操作：lock, unlock, read, load,use,assign, store, write。

JMM 的主要概念是：

动作 ( Action ) : 这些是线程间的动作，可以由一个线程执行并由另一个线程检测，如读取或写入变量，锁定/解锁监视器等等。
同步动作 ( Synchronization actions ) : 某个动作子集，例如读取/写入易失性变量，或锁定/解锁监视器。
程序顺序 ( Program Order ) : 俗称 PO，单个线程内可观察的动作总顺序。
同步顺序 ( Synchronization Order ) : 俗称 SO，所有同步操作之间的总顺序 – 它必须与程序顺序一致，也就是说，如果两个同步操作在PO 中一个接一个地出现，它们在 SO 中以相同的顺序出现。
同步与（ synchronizes-with） : 俗称 SW ，某些同步操作之间的关系，例如解锁监视器和锁定同一监视器（在另一个或同一个线程中）。
发生在顺序之前 ( Happens-before Order ) : 将 PO 与 SW 结合（在集合论中称为传递闭包），以创建线程之间所有动作的部分排序。如果一个动作发生在另一个动作之前，则第二个动作可以观察到第一个动作的结果（例如，在一个线程中写入变量并在另一个线程中读取）。
发生在一致性之前 ( Happens-before consistency ) : 如果每次读取都遵循先前发生的顺序中对该位置的最后一次写入，或者通过数据竞争进行其他一些写入操作，则一组操作是 HB 一致的。
执行 ( Execution ) : 它们之间有一组有序的动作和一致性规则